壓電元件和壓電能量收集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電元件，由片狀或塊狀彈性體組成，所述彈性體中嵌入有含金屬的納米材料，使得所述彈性體呈現(xiàn)壓電特性。本發(fā)明還涉及一種壓電能量收集系統(tǒng)，包括上述的壓電元件，所述壓電元件的兩個(gè)表面上貼設(shè)有電極用于收集并傳導(dǎo)所述壓電元件產(chǎn)生的電能，其中，壓電能量收集系統(tǒng)還包括至少一個(gè)附屬的結(jié)構(gòu)層及保護(hù)層使其在外部壓力作用下可使所述壓電元件產(chǎn)生局部變形。
【專利說(shuō)明】壓電元件和壓電能量收集系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電元件和壓電能量收集系統(tǒng)，特別是涉及柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]壓電元件在現(xiàn)今的生活中已得到廣泛應(yīng)用。壓電效應(yīng)的原理為，如果對(duì)壓電材料施加一定的壓力使其產(chǎn)生應(yīng)變，便會(huì)在壓電材料的上下表面產(chǎn)生電位差(稱之為正壓電效應(yīng))，反之施加電壓，則產(chǎn)生形變/機(jī)械應(yīng)力(稱為逆壓電效應(yīng))。壓電元件可用于傳感器，還可用于換能器以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明涉及將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的壓電器件。
[0003]壓電元件包括各種壓電晶體、壓電陶瓷、壓電高分子材料等?？芍谱鞒蓧弘姳∧?，或?qū)⒍鄠€(gè)壓電體和多個(gè)內(nèi)部電極互相交替地層疊制成層疊型壓電元件，也可制作壓電納米材料。
[0004]聚偏氟乙烯(PVDF)是一種半結(jié)晶聚合物，根據(jù)結(jié)晶的條件或合成條件(溶劑、溫度、鑄造方法、薄膜拉伸和退火條件等)，PVDF可以形成不同的晶相，例如α-相、β-相和Y-相等晶相。若PVDF從溶液中或者熔融狀態(tài)下結(jié)晶，便只能得到非極性晶型(α-相的PVDF具有偶極矩為零的鏈)，它是能量最低、最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，不具有鐵電性、壓電性。極化是PVDF材料處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要目的是讓聚合物中雜亂取向的分子偶極矩沿著特定方向(如極化電場(chǎng)方向)一致取向，形成全反式構(gòu)象的極性晶型，改善PVDF薄膜的鐵電/壓電性能，比如，β -相的PVDF在多晶型中由于其極性鏈(polar chains)而具有最顯著的壓電性能。
[0005]專利文獻(xiàn)US 2010/0298720 Al公開了 PVDF薄膜植入軀體內(nèi)用于壓電能量收集系統(tǒng)的情形。一般地，若要制造出具有壓電特性的PVDF薄膜，需要在中等溫度下執(zhí)行一種由電極化和機(jī)械拉伸兩者組成的處理過(guò)程，以便對(duì)齊結(jié)晶性的聚偏氟乙烯結(jié)構(gòu)中的偶極子，促進(jìn)形成β_相的PVDF結(jié)晶結(jié)構(gòu)。然而，這種特殊制造工藝的缺點(diǎn)是比較復(fù)雜且不經(jīng)濟(jì)。
[0006]使用納米材料的技術(shù)(比如,壓電發(fā)生器piezoelectric generator)也有記載,公開的報(bào)道中已涉及到使用納米壓電材料產(chǎn)生電能，可參見文獻(xiàn)Z.L.Wang, J.Song, Science312 (2006 )，242-246。納米壓電元件一般是基于納米膜、納米線和納米纖維的形式，例如壓電元件利用壓電氧化鋅(ZnO)納米線。PVDF納米纖維具有獨(dú)特的柔性、輕便性、生物相容性和可用性、超長(zhǎng)的長(zhǎng)度、不同的形狀等相結(jié)合的材料特性，使他們成為適于植入人體的設(shè)備中能量收集應(yīng)用中的候選對(duì)象。
[0007]與使用PVDF薄膜相似，PVDF納米纖維同樣須具備壓電性才行，即需獲得β _相的PVDF結(jié)晶結(jié)構(gòu)。這便(理論上)要求進(jìn)行由電極化和機(jī)械拉伸組成的預(yù)處理。(實(shí)踐中，對(duì)于以靜電紡絲形成的PVDF納米纖維，在其(遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng))靜電紡絲制備過(guò)程中可以提供高電場(chǎng)和機(jī)械拉伸)。但是其制造過(guò)程(例如，遠(yuǎn)場(chǎng)靜電紡絲法FFES)較復(fù)雜，而且現(xiàn)有技術(shù)中，收集納米纖維產(chǎn)生的電能、以及控制過(guò)程并不方便。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)的其它不足之處還有，薄膜狀的壓電結(jié)構(gòu)、由納米纖維/納米線/納米膜形成的壓電結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度不高、電極可拉伸性弱、不耐磨，疲勞壽命很短，通常不到I萬(wàn)次。
[0009]另一缺點(diǎn)是由現(xiàn)有技術(shù)中使用的壓電材料所能獲得的功率密度較低。從此前的工作中可知，提高能量收集效率的重要因素之一是增大變形所引起的應(yīng)變、應(yīng)變速率或頻率和應(yīng)變梯度。在使用壓電薄膜的情況下，由于薄膜受到均勻分布的法向力，若無(wú)其它輔助結(jié)構(gòu)，壓電元件只能獲得有限的應(yīng)變，應(yīng)變速率和應(yīng)變梯度。以上這些缺點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)中的壓電材料不適合用于穿戴式系統(tǒng)。本發(fā)明旨在開發(fā)具有更優(yōu)異壓電性的新壓電材料，提高壓電能量收集系統(tǒng)的收集效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本部分內(nèi)容是對(duì)本發(fā)明的一個(gè)簡(jiǎn)要概括，意在提供關(guān)于本發(fā)明的一些方面的基本介紹。本概括不是本發(fā)明的詳盡概述，不應(yīng)以此來(lái)確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要元素或限定本發(fā)明的范圍。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種新型的壓電元件結(jié)構(gòu)。該壓電元件由片狀或塊狀彈性體(聚合物)組成，所述彈性體中嵌入有含金屬的納米材料，使得所述彈性體呈現(xiàn)壓電特性。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種壓電能量收集系統(tǒng)，其包括一壓電元件，該壓電元件由片狀或塊狀彈性體組成，其中，所述彈性體中嵌入有含金屬的納米材料，使得所述彈性體呈現(xiàn)壓電特性；所述壓電元件的相對(duì)的兩個(gè)表面上貼設(shè)有片狀或塊狀柔性電極用于收集并傳導(dǎo)所述壓電元件產(chǎn)生的電能，其中，該壓電能量收集系統(tǒng)還包括至少一個(gè)附設(shè)在所述電極中至少一個(gè)之上與所述壓電元件相對(duì)的一側(cè)上的、在外部壓力作用下可使所述壓電元件產(chǎn)生局部變形的結(jié)構(gòu)層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種壓電能量收集系統(tǒng)，包括片狀或塊狀壓電元件，所述壓電元件的相對(duì)的兩個(gè)表面上貼設(shè)有片狀或塊狀電極用于傳導(dǎo)所述壓電元件產(chǎn)生的電能。壓電能量收集系統(tǒng)還包括至少一個(gè)附設(shè)在所述電極中至少一個(gè)之上與所述壓電元件相對(duì)的一側(cè)上的、在外部壓力作用下可使所述壓電元件產(chǎn)生局部變形的結(jié)構(gòu)層。
[0014]本發(fā)明的壓電元件、壓電能量收集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、更高的功率輸出、應(yīng)用范圍廣并適宜于可穿戴的設(shè)備、耐疲勞性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以從低頻運(yùn)動(dòng)如人體活動(dòng)中收集能量，為可穿戴式電子設(shè)備提供電能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]本發(fā)明可以通過(guò)參考下面的描述并結(jié)合附圖來(lái)理解，其中:
[0016]圖1示出了柔性可穿戴式的壓電能量收集單元具有齒形結(jié)構(gòu)；
[0017]圖2示出了具有壓電納米粒子的0-3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；
[0018]圖3為具有壓電納米棒/納米桿的1-3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；
[0019]圖4為具有壓電納米線的1-3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；
[0020]圖5為具有織物電極的壓電元件示意圖；
[0021]圖6 Ca)為針織織物電極正面的掃描電子顯微鏡圖像；圖6 (b)為針織織物電極反面的掃描電子顯微鏡圖像；圖6 (c)為單獨(dú)一個(gè)針織織物電極的橫截面的SEM圖像；圖6(d)為復(fù)合導(dǎo)電紗線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖7 (a)為具有銀納米線的PVDF復(fù)合材料膜的掃描電子顯微鏡圖像，圖7 (b)為具有銀納米線和PVDF納米纖維的PVDF復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡圖像；
[0023]圖8 (a)為PVDF復(fù)合材料的FT-1R光譜圖像；圖8 (b)為(具有銀納米線的)PVDF復(fù)合材料的FT-1R光譜圖像；
[0024]圖9 (a)為溶液沉積方法制備的PVDF復(fù)合材料的XRD圖像；圖9 (b)為靜電紡絲方法制備的PVDF復(fù)合材料的XRD圖像；
[0025]圖10 Ca)為柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)的壓電元件的示意圖；圖10 (b)為柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器的示意圖；圖10 (c)為柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)的臨時(shí)儲(chǔ)能器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和阻抗匹配電路的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
加以詳細(xì)描述。各種結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)僅是為了解釋的目的，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員憑借其知識(shí)容易理解本發(fā)明。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種壓電元件，其可用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，具體地，壓電元件在外壓力作用下，內(nèi)部出現(xiàn)壓應(yīng)力，介質(zhì)兩表面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，形成電位差，可經(jīng)由兩側(cè)的電極輸出。就壓電特性的形成機(jī)理而言，本發(fā)明的壓電元件與現(xiàn)有技術(shù)的壓電薄膜不同，也不同于現(xiàn)有技術(shù)中使用的壓電納米纖維。舉例來(lái)說(shuō)，α-晶相的PVDF中填充銀納米線后，其α -晶相轉(zhuǎn)變成β -晶相，β -晶相的PVDF呈現(xiàn)壓電特性。本發(fā)明提出的壓電元件由顯著尺寸為二維的(如片狀或塊狀)彈性體組成，該彈性體也具有一定的厚度，其中，所述彈性體中可選擇嵌入一種或多種金屬納米線，優(yōu)選為銀或銅納米線，使得所述彈性體具有壓電特性。
[0028]壓電元件是能量收集元件的核心，針對(duì)能量收集系統(tǒng)中的壓電元件本發(fā)明提出四類壓電材料系統(tǒng)。第一類材料系統(tǒng)是由壓電聚合物制成的壓電薄膜，其中可選擇嵌入一種或多種金屬納米線優(yōu)選為銀質(zhì)、銅質(zhì)納米線，所述壓電聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等。
[0029]第二類材料系統(tǒng)是由壓電聚合物制成的納米纖維，其中可選擇嵌入一種或多種金屬納米線優(yōu)選為銀質(zhì)、銅質(zhì)納米線，所述壓電聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等。如圖7(b)所示，所述壓電聚合物和金屬納米線可與第一類材料系統(tǒng)中所闡述的相同。圖7 (a)和圖7 (b)描述了填充有銀納米線的PVDF薄膜和納米纖維的掃描電子顯微鏡圖像，其中圖7 Ca)為填充有銀納米線的PVDF復(fù)合材料膜，圖7(b)為填充有銀納米線的PVDF納米纖維。晶相變化可使用兩種不同的方法(FTIR光譜和XRD)予以證實(shí)。圖8 (a)為PVDF納米纖維/薄膜的FT-1R光譜圖像，圖8 (b)為(具有銀納米線的)PVDF復(fù)合材料的FT-1R光譜圖像，從圖中可看出，納米纖維的傅立葉變換紅外光譜(FTIR)在波數(shù)為840CHT1和1280CHT1處顯示了極強(qiáng)的振動(dòng)峰值，這是β型結(jié)晶相典型的振動(dòng)特性。此外，相的形成也可由X-射線衍射(XRD)數(shù)據(jù)證實(shí)，圖9 (a)為PVDF薄膜/具有銀納米線的PVDF薄膜的XRD圖像，圖9 (b)為PVDF納米纖維并填充有銀納米線納米纖維的XRD圖像，從圖中可看出，在2Θ的值為20.50之處強(qiáng)度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)極強(qiáng)的β相結(jié)晶信號(hào)，從圖中還可看出，相比較之下，PVDF薄膜的FTIR和XRD測(cè)量結(jié)果具有弱得多的β相。這表明，靜電紡絲更利于形成β相的結(jié)晶PVDF。
[0030]第三類材料系統(tǒng)是由包含PDMS或PVDF和壓電/鐵電氧化物納米粒子的0_3型復(fù)合材料制成，如圖2所示。所述壓電/鐵電氧化物例如是氧化鋅或鈣鈦礦氧化物(鈣鈦礦氧化物包括NaNbO3、KxNahNbO3等)。圖2描述了具有壓電納米粒子的0_3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，其包括柔性電極5、柔性絕緣基層6、壓電納米粒子7和彈性體8。彈性體8可選擇為環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡膠、共聚酯、聚酰胺、熱塑性彈性體烯烴或聚氨酯等。彈性體8及壓電體納米粒子7構(gòu)成壓電層(0-3型復(fù)合材料)。
[0031]第四類材料系統(tǒng)是由PDMS或PVDF和壓電/鐵電氧化物納米棒、納米桿或納米線制成的1-3型復(fù)合材料。所述壓電/鐵電氧化物可選擇為氧化鋅或鈣鈦礦氧化物(其中，鈣鈦礦氧化物包括NaNb03、KxNa1^xNbO3> Li或其它金屬改性無(wú)鉛陶瓷等)。
[0032]圖3描述了具有壓電納米棒/納米桿的1-3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其包括彈性體9、柔性電極10、柔性絕緣基層12和壓電納米棒/納米桿11。彈性體9可選擇為環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡膠、共聚酯、聚酰胺、熱塑性彈性體烯烴或聚氨酯。彈性體9及壓電納米棒/納米桿11構(gòu)成壓電層(1-3型復(fù)合材料)。在壓電元件中，壓電納米棒或者納米桿在彈性體中可定向排列也可隨機(jī)排列。
[0033]圖4為具有壓電納米線的1-3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其包括彈性體14上的柔性電極
13、柔性絕緣基層(基底)15和壓電納米線16。彈性體14可選擇為環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡膠、共聚酯、聚酰胺、熱塑性彈性體烯烴或聚氨酯。彈性體14及壓電納米線16構(gòu)成壓電層(1-3型復(fù)合材料)。在壓電元件中，壓電納米線在彈性體中可定向排列也可隨機(jī)排列。
[0034]需說(shuō)明的是，本發(fā)明中壓電(能量收集)元件的極化方向?yàn)楹穸确较颍趬弘娔芰渴占到y(tǒng)中，壓電元件被配置為d33模式(d33表示縱向壓電常數(shù))或d31模式，以收集更多的倉(cāng)tfi。
[0035]此外，從圖1可以看出，壓電元件還可包括分別位于柔性電極兩側(cè)的兩個(gè)絕緣層I和4，起到防止壓電元件3收集的電荷泄露，阻止與其它導(dǎo)體、液體、人體接觸及起到機(jī)械保護(hù)作用。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種壓電能量收集系統(tǒng)。
[0037]從現(xiàn)有技術(shù)中可以得到，在低頻率運(yùn)動(dòng)中例如行走的情形，壓電能量收集系統(tǒng)產(chǎn)生的能量Ec可以表示為Ee= _________________f_________+Cl, j, k, 1= I? 2, 3) ?其結(jié)合了正壓

2.SSS Bji
電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)。其中等式右側(cè)的第一項(xiàng)是指正壓電效應(yīng)，如果所施加的力的方向是在極化方向，該第一項(xiàng)是楊氏模量Y、均勻地分布在整個(gè)樣本上的最大應(yīng)變S、電壓V、介電常數(shù)ε與壓電常數(shù)dijk的函數(shù),壓電常數(shù)dijk為三階的極性張量(third-rank polar
tensor), s為電極的面積。等式右側(cè)的第二項(xiàng)是指應(yīng)變梯度(/3? )引起的極化所產(chǎn)生的能量，其中，μ ukl是撓曲電系數(shù)，為四階極性張量，在上式中，后綴(i，j，k，I)滿足愛因斯坦求和約定。1-3型復(fù)合材料具有更好的正壓電效應(yīng)。由于填充有一維納米結(jié)構(gòu)的壓電材料可獲得更佳的應(yīng)力/應(yīng)變梯度效果和機(jī)電耦合系數(shù)，因此，1-3型復(fù)合材料具有更好的壓電性能。
[0038]為此,在一種實(shí)施例中，參見圖1，壓電能量收集系統(tǒng)除包括壓電元件3外,還包括貼設(shè)在壓電元件3的至少一側(cè)的相鄰結(jié)構(gòu)層2。結(jié)構(gòu)層2朝向壓電元件3的一側(cè)設(shè)有多個(gè)突起部。結(jié)構(gòu)層2在外部壓力作用下(通過(guò)單個(gè)的突起部)可使所述壓電元件產(chǎn)生局部變形，t匕如在壓電元件的多個(gè)點(diǎn)位/部位產(chǎn)生局部變形，因而形成較大的應(yīng)變梯度(?icX,)，
會(huì)增大應(yīng)變梯度(dejk /δχ,)弓丨起的極化，從而使壓電元件中產(chǎn)生的電能增大。結(jié)構(gòu)層2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜遵從這樣的原則來(lái)進(jìn)行，即，使得由正壓電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)所產(chǎn)生的電能總和最大化。
[0039]圖1示出了柔性可穿戴式的壓電能量收集單元的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，壓電能量收集單元由齒形結(jié)構(gòu)層2、具有柔性電極的壓電(結(jié)構(gòu))層3、以及兩個(gè)絕緣層I和4組成。齒形結(jié)構(gòu)層由彈性體家族的材料制成，所述材料例如是環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡膠、共聚酯、聚酰胺、熱塑性彈性體烯烴或聚氨酯。
[0040]在一種實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)層是一面為齒形的結(jié)構(gòu)層(即突起部為齒形)，優(yōu)選為齒形彈性體，具有齒形的一面朝向所述壓電元件。
[0041]在結(jié)構(gòu)層的一種實(shí)施例中，突起部可為類似齒形的結(jié)構(gòu)，比如尖刃部，可為成排的刀刃狀、刀刃構(gòu)成的網(wǎng)格形，或?yàn)橐?guī)則的點(diǎn)陣形式(方陣)分布的錐尖部，或結(jié)構(gòu)層2上隨機(jī)分布的多個(gè)錐尖等。
[0042]雖然圖1中僅示出了位于壓電元件一側(cè)的結(jié)構(gòu)層2，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可依本發(fā)明公開內(nèi)容的益處根據(jù)需要來(lái)確定，在壓電元件3的另一側(cè)(即圖1中的壓電元件3與絕緣層4之間)也附加設(shè)置結(jié)構(gòu)層。結(jié)構(gòu)層2可以是類似于壓電元件3的片狀或塊狀，并具有與壓電元件3大致相同的尺寸。也可采用尺寸較小的結(jié)構(gòu)層2，或者以合適的組裝拼接方式(例如與其它形式的結(jié)構(gòu)層拼裝結(jié)合)而獲得大尺寸的結(jié)構(gòu)層。
[0043]在一種實(shí)施例中，壓電能量收集系統(tǒng)的電極為柔性電極。該電極可與彈性體的表面尺寸大致相當(dāng)。研究結(jié)果表明，柔性電極是壓電能量收集系統(tǒng)的重要組成部分，因其性能和可靠性對(duì)能量收集系統(tǒng)的效率和壽命影響極大。剛性電極可能妨礙壓電元件產(chǎn)生形變，不利于壓電元件產(chǎn)生局部變形，因而可能減弱壓電元件的輸出電功率；另一方面其疲勞強(qiáng)度可能有限。
[0044]柔性電極的性能和可靠性對(duì)能量收集效率和系統(tǒng)的使用壽命具有很大影響，因此，柔性電極為壓電能量收集系統(tǒng)的重要元件。在一種實(shí)施例中，可采用織物作為電極，該織物例如是可伸縮的導(dǎo)電性織物，該織物例如是非紡織的，例如該織物是針織(knitted)織物、平針(plain knitted)織物。圖5描述了具有可拉伸導(dǎo)電性織物電極的壓電能量收集層，在壓電元件的頂部和底部均采用織物電極?？椢镫姌O是由中節(jié)狀聚氨酯(復(fù)絲)紗線(segmented polyurethane (multifilament) yarns)和包銀聚酸胺(復(fù)絲)紗線(silvercoated polyamide (multifilament) yarns)針織成的彈性導(dǎo)電性織物電極。針織織物電極可增強(qiáng)電荷的收集，因而可以提高發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0045]圖6 (a)和圖6 (b)分別描述了針織織物電極正面和反面的掃描電子顯微鏡圖像。針織織物電極在正面(圖6(a))和反面(圖6(b))上具有不同的表面結(jié)構(gòu)。其中每一面上導(dǎo)電紗線的線圈密度分別為1210圈/cm2和590圈/cm2。考慮到該織物電極的正面具有較大的線圈密度，一方面可以增加電極與壓電層的接觸面積，另一方面可以提高壓電能量收集系統(tǒng)的撓曲電效應(yīng)。圖6(c)示出了單獨(dú)一個(gè)針織織物電極的橫截面的SEM圖像，虛線圓形區(qū)域表示復(fù)合紗線的圈，該復(fù)合紗線由聚氨酯紗線和銀包覆的紗線加捻制成。單獨(dú)一個(gè)的織物電極的厚度小于I毫米，如由圖6(c)中的電子掃描顯微鏡橫斷面視圖所示。圖6 Cd)示出了復(fù)合導(dǎo)電紗線的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中示出了高伸縮性的中節(jié)狀聚氨酯紗線被包銀的聚酰胺長(zhǎng)絲紗卷繞，此織物電極由復(fù)合材料導(dǎo)電纖維針織而成?？椢镫姌O由具有高拉伸率的中節(jié)狀聚氨酯紗線芯和纏繞該紗線芯的包銀聚酰胺紗線(聚酰胺基導(dǎo)電銀線)組成。即使織物在拉伸超過(guò)60%時(shí)，平針織物結(jié)構(gòu)的圈狀結(jié)構(gòu)能夠使纖維應(yīng)變顯著減少到小于1%。此合成織物具有非常優(yōu)異的拉伸性能(最大可拉伸到250%)以及低楊氏模量(0.23MPa)。當(dāng)施加0.2MPa壓力時(shí)，柔性織物電極的電阻大約為30-33歐姆，并保持相對(duì)穩(wěn)定(循環(huán)測(cè)試2727次)。物電極具有非常低的方塊電阻，經(jīng)測(cè)試，該織物電極的方塊電阻為37毫歐/ 口(!1^/square)，當(dāng)該織物電極雙向拉伸10%時(shí)，其方塊電阻變化為42毫歐/ 口。因此本發(fā)明所提出的織物電極能夠有效提高疲勞壽命以確保能量的提取。
[0046]本發(fā)明的壓電元件產(chǎn)生的電能為正壓電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)所致的電能的總和，在電阻負(fù)載為430K時(shí)，柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)所產(chǎn)生的典型的電壓和電流值分別達(dá)3.4V和峰值電流4.4 μ A，所獲得的能量密度約為0.llmW/cm3。
[0047]在一實(shí)施例中，壓電能量收集系統(tǒng)還包括至少一個(gè)臨時(shí)能量存儲(chǔ)器件，優(yōu)選為電容器，優(yōu)選進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)電路例如整流電路、阻抗匹配電路。
[0048]基于壓電能量收集元件的收集系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量輸出通常是不連續(xù)的，并且由加載和卸載過(guò)程導(dǎo)致包含有正負(fù)方向的部分，為此，設(shè)計(jì)兩級(jí)的收集電路。本發(fā)明所提出的電路主要由三部分組成，分別示于圖10 (a)至圖10 (C)。第一部分是壓電發(fā)電裝置，如在圖10 (a)中描述的，該壓電發(fā)電裝置包括電功率發(fā)生裝置20，和極性電容器21。第二部分是AC/DC轉(zhuǎn)換器，將交流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流，用于對(duì)那些需要直流電的可穿戴電子產(chǎn)品或無(wú)線傳感器等提供電能。其高效地將交流轉(zhuǎn)換為直流，可以提升系統(tǒng)的發(fā)電功率。圖10 (b)是柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器的示意圖，該AC/DC轉(zhuǎn)換器包括整流二極管22，四個(gè)二極管構(gòu)成整流電路。第三部分參見圖10 (c)包括臨時(shí)儲(chǔ)存器23、DC/DC轉(zhuǎn)換器和阻抗匹配電路。如果所產(chǎn)生的電能不能被充進(jìn)電池30，本發(fā)明利用臨時(shí)存儲(chǔ)電容器C0暫時(shí)存儲(chǔ)電能供后續(xù)使用。DC/DC轉(zhuǎn)換電路包括P溝道增強(qiáng)型M0SFET24、電阻25、二極管26、電阻27、電感28和濾波電容器29用于優(yōu)化整流電路的輸出電壓，例如升壓/降壓變換。為了最大限度地提高功率傳輸，本發(fā)明采用了阻抗匹配電路(由電阻25、二極管26、電阻27組成)，阻抗匹配電路可以使發(fā)電裝置整體的阻抗與目標(biāo)負(fù)載匹配以維持在最佳的運(yùn)作狀態(tài)。圖10 (c)中，標(biāo)記30指代電池或超級(jí)電容器。
[0049]本發(fā)明的壓電能量收集系統(tǒng)可包括其他附加電路，比如檢測(cè)電路、用于操控的電子開關(guān)等。
[0050]此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，上述各特征可根據(jù)需要結(jié)合起來(lái)使用。
[0051]本發(fā)明所描述的壓電元件、壓電能量收集系統(tǒng)的實(shí)施例，相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)踐具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。第一，由于在PVDF或其共聚物中加入了含金屬的納米材料比如金屬納米線，PVDF或其共聚物由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，從而具有壓電特性，故不再需要傳統(tǒng)的在中等溫度下實(shí)施由電極化和機(jī)械拉伸兩者組成的極化過(guò)程。這使得壓電元件的制造過(guò)程大為簡(jiǎn)化、經(jīng)濟(jì)；
[0052]第二，壓電材料的納米結(jié)構(gòu)會(huì)改變壓電元件中彈性體材料的特性和性能，這將提高材料的壓電性能和機(jī)電耦合系數(shù)，更高效率地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，故可從人體活動(dòng)或環(huán)境收集更多的能量；
[0053]第三，由于正壓電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)的高效組合(例如由齒形結(jié)構(gòu)層所致)得到了實(shí)現(xiàn)，所述壓電元件可提供更高的功率密度。由此，本發(fā)明的壓電能量收集系統(tǒng)可以產(chǎn)生更高的輸出功率，推算約為1mW的量級(jí)；
[0054]第四，本發(fā)明的壓電元件、壓電能量收集系統(tǒng)是柔軟的、可穿戴式的、生物相容的，可用于智能紡織品(例如衣物、佩戴的飾品、鞋帽)和可穿戴的電子產(chǎn)品。可適應(yīng)于各種環(huán)境，從其中捕獲能量，比如海洋潮汐能源，人體體內(nèi)能量等；
[0055]第五，本發(fā)明的壓電元件、壓電能量收集系統(tǒng)用新型0-3/1-3型復(fù)合材料制造，并且采用非紡織的織物電極，非紡織的織物電極是全纖維的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的可達(dá)250%的拉伸性，且由于使用(柔性的)新型0-3/1-3型復(fù)合材料，所以，疲勞壽命得以顯著提高，可達(dá)
I,000, 000 次以上；
[0056]第六，本發(fā)明的壓電元件、壓電能量收集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、制造技術(shù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這有利于高效的制造，制成一致的形狀，并顯著地降低了成本。
[0057]本發(fā)明所描述的壓電元件、壓電能量收集系統(tǒng)可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如作為電源用于可穿戴的電子產(chǎn)品、傳感器、戶外運(yùn)動(dòng)、實(shí)地考察、火炮、無(wú)人機(jī)、生物醫(yī)學(xué)和人類活動(dòng)的監(jiān)測(cè)等。
[0058]本發(fā)明提出了一種獨(dú)特的壓電元件，由于壓電元件具有彈性體和壓電材料這兩種特性，它是柔軟和耐疲勞損傷的，尤其適合于服裝，從人體的運(yùn)動(dòng)中收集能量。
[0059]通過(guò)從低頻振動(dòng)或人體動(dòng)作捕獲能量，本發(fā)明的柔性可穿戴式的壓電能量收集系統(tǒng)可以為低功耗(便攜式)電子產(chǎn)品、無(wú)線設(shè)備終端提供應(yīng)急電源，省去不斷充電或更換電池的麻煩。比如，集成了壓電能量收集系統(tǒng)的鞋類系統(tǒng)可以為壓力傳感器和低功耗藍(lán)牙設(shè)備提供電源，以監(jiān)測(cè)糖尿病或運(yùn)動(dòng)員的腳的壓力變化。本發(fā)明的系統(tǒng)發(fā)電能力估計(jì)為10mW的規(guī)模，足以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重要信號(hào)、步態(tài)、姿勢(shì)和活動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電元件，由片狀或塊狀彈性體組成，所述彈性體中嵌入有壓電納米材料例如含金屬的納米材料，使得所述彈性體呈現(xiàn)壓電特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件，其中，所述彈性體的兩面貼設(shè)有片狀或塊狀的柔性電極，用于收集并傳導(dǎo)所述彈性體產(chǎn)生的電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其中，所述彈性體中嵌入含金屬的納米材料形成的壓電層是由壓電聚合物制成的壓電薄膜，其中嵌入一種或多種金屬納米線，所述壓電聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，所述金屬納米線優(yōu)選為銀質(zhì)或銅質(zhì)納米線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其中，所述彈性體中嵌入含金屬的納米材料形成的壓電層是由壓電聚合物制成的納米纖維，其中嵌入一種或多種金屬納米線，所述壓電聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，所述金屬納米線優(yōu)選為銀質(zhì)或銅質(zhì)納米線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其中，所述彈性體中嵌入含金屬的納米材料形成的壓電層由包含PDMS或PVDF和壓電/鐵電氧化物納米粒子的0-3型復(fù)合材料制成，所述壓電/鐵電氧化物例如是氧化鋅或鈣鈦礦氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其中，所述彈性體中嵌入含金屬的納米材料形成的壓電層是由PDMS或PVDF和壓電/鐵電氧化物納米棒或納米桿或納米線制成的1-3型復(fù)合材料，所述壓電/鐵電氧化物例如是氧化鋅或鈣鈦礦氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電元件，其中，所述柔性電極為導(dǎo)電性織物電極，所述織物例如為非紡織的織物、針織織物、平針織物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電元件，其中，所述導(dǎo)電性織物電極由聚氨酯紗線和包銀聚酰胺紗線制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電元件，其中所述織物電極由高度可伸縮的中節(jié)狀聚氨酯復(fù)絲紗線芯和卷繞所述紗線芯的包銀聚酰胺復(fù)絲紗線織成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電元件，其中，所述導(dǎo)電性織物電極在所述壓電元件的正面和反面上具有不同的表面結(jié)構(gòu)，例如所述正面和反面上導(dǎo)電紗線的線圈密度分別為1210圈 /cm2 和 590 圈 /cm2。
11.根據(jù)權(quán)利要求2或7-10中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其中，所述柔性電極的外側(cè)分別設(shè)有絕緣層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其中，所述壓電元件被配置為d33模式或d31模式。
13.—種壓電能量收集系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求2至12中任一項(xiàng)所述的壓電元件，所述壓電能量收集系統(tǒng)還包括至少一個(gè)附設(shè)在所述柔性電極中至少一個(gè)之上與所述壓電元件相對(duì)的一側(cè)上的、在外部壓力作用下可使所述壓電元件產(chǎn)生局部變形的結(jié)構(gòu)層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓電能量收集系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)層是一面為齒形的結(jié)構(gòu)層，優(yōu)選為齒形彈性體，具有齒形的一面朝向所述壓電元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的壓電能量收集系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)臨時(shí)能量存儲(chǔ)器件，優(yōu)選為電容器，優(yōu)選進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)電路例如整流電路、阻抗匹配電路。
16.一種壓電能量收集系統(tǒng)，包括片狀或塊狀壓電元件，所述壓電元件的相對(duì)的兩個(gè)表面上貼設(shè)有片狀或塊狀電極用于傳導(dǎo)所述壓電元件產(chǎn)生的電能，所述壓電能量收集系統(tǒng)還包括至少一個(gè)附設(shè)在所述電極中至少一個(gè)之上與所述壓電元件相對(duì)的一側(cè)上的、在外部壓力作用下可使所述壓電元件產(chǎn)生局部變形的結(jié)構(gòu)層。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104167955SQ201310182016
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月16日
【發(fā)明者】陶肖明, 陳淞, 曾煒, 陳王麗華, 蔡紹康 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)